拉伸/壓縮載荷作用下復(fù)合材料抗沖擊性能試驗(yàn)研究

尹昰凱，陳偉，劉璐璐，趙振華，羅剛

(南京航空航天大學(xué) a. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b. 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動(dòng)機(jī)部件沖擊損傷這一問題倍受關(guān)注，從低速?zèng)_擊一直研究到現(xiàn)在的高速?zèng)_擊。隨著先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，航空航天領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊笤絹碓礁?，碳纖維復(fù)合材料由于其優(yōu)越的性能已廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件，而發(fā)動(dòng)機(jī)部件大都在受預(yù)載荷的情況下工作，因此研究預(yù)載荷對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響尤為重要。

至今，關(guān)于預(yù)載荷對(duì)復(fù)合材料抗沖擊性能的影響前人已做過大量的工作，并取得了豐碩的成果。尤其是拉伸載荷對(duì)復(fù)合材料沖擊性能影響的研究已屢見不鮮。早在20世紀(jì)90年代，WHITTINGHAM B、MIKKOR K M和PICKETT A K等[1-3]相繼研究了預(yù)拉載荷對(duì)碳纖維復(fù)合材料沖擊性能的影響，并得出拉伸預(yù)載使靶板彎曲變形減少、分層程度降低的結(jié)論。GARCIA-CASTILLO S K[4-5]做了雙軸拉伸預(yù)緊板的高速?zèng)_擊研究，發(fā)現(xiàn)了預(yù)載板的彈道極限與其數(shù)值解析結(jié)果之間的聯(lián)系。近年來，學(xué)者們不僅只關(guān)注預(yù)載荷對(duì)靶板損傷的影響。2011年SCHUELER D等[6]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單軸預(yù)拉載荷會(huì)減小彈道極限，并且得出初始應(yīng)力越高，靶板吸收能量越少的結(jié)論。同年MOALLEMZADEH A R 等[7]研究了單軸與雙軸拉壓預(yù)緊力對(duì)復(fù)合材料板沖擊響應(yīng)的影響，得出預(yù)拉載荷會(huì)降低彈道極限和復(fù)合板的吸能能力的結(jié)論。

相比于拉伸預(yù)載荷，壓縮預(yù)載荷對(duì)復(fù)合材料沖擊性能影響的研究為數(shù)不多。 1990年MORLO H 、1999年ZHANG X 和2009年HEIMBS S等[8-10]曾做過壓縮預(yù)加載作用下碳纖維復(fù)合材料的沖擊試驗(yàn)，并得出了預(yù)壓使靶板彎曲變形增加從而導(dǎo)致分層損傷面積增大的結(jié)論。隨后2014年HEIMBS S等[11]也針對(duì)T800S/M21碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料做過類似的試驗(yàn)，得出相同的結(jié)論，并發(fā)現(xiàn)預(yù)載荷下靶板的主要失效模式為基體裂紋和分層。

綜上，針對(duì)不同大小預(yù)載荷對(duì)復(fù)合材料影響規(guī)律的對(duì)比研究較為稀缺。因此，本文通過對(duì)比試驗(yàn)，探究在不同大小的預(yù)拉及預(yù)壓載荷作用下，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料損傷容限和沖擊性能的變化規(guī)律。

1 拉壓載荷作用下復(fù)合材料高速?zèng)_擊試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)沖擊系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用課題組自行設(shè)計(jì)的50mm空氣炮試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行外物損傷模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)通過壓縮空氣推動(dòng)彈托和彈體加速，在炮口處彈托分離器將彈托分離，彈體隨即依靠慣性繼續(xù)飛出至完成沖擊過程。試驗(yàn)系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)、彈托收集裝置、固持與防護(hù)系統(tǒng)、高速攝影系統(tǒng)和液壓加載系統(tǒng)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沖擊系統(tǒng)示意圖

1.2 預(yù)加載裝置

液壓加載裝置由空壓機(jī)、調(diào)壓閥、空氣增壓泵、控制開關(guān)以及加力油缸5部分構(gòu)成。根據(jù)液壓加載系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式：F=調(diào)壓閥示數(shù)×空氣增壓泵倍數(shù)×加力油缸受力凈截面積，并根據(jù)所需施加力的大小求出空氣增壓泵油表示值。

1.3 試驗(yàn)件及夾具

試驗(yàn)件材料為碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(T700/TDE-86)，尺寸為250mm×140mm×2mm，鋪層方式為[±45°，0°，90°，±45°，0°，90°]s。沖擊彈體選取直徑17mm，質(zhì)量為20.2g的鋼球。具體靶板尺寸及實(shí)物如圖2(a)所示，試件裝夾圖如圖2(b)所示。

圖2 單向預(yù)載荷靶板設(shè)計(jì)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)分別采用空載、拉伸35.0kN、拉伸82.5kN、壓縮19.0kN和壓縮28.0kN載荷開展。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。表中m為彈體質(zhì)量；F為預(yù)應(yīng)力，拉伸為正，壓縮為負(fù)；Vi為入射速度；Vr為剩余速度；Ek為靶板吸收的動(dòng)能。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

2.2 分層損傷分析

選取不同工況下試驗(yàn)，部分沖擊后試驗(yàn)件照片如圖3所示。由圖可見，沖擊速度較低時(shí)，靶板迎彈面留下一個(gè)根彈體尺寸差不多的圓形凹坑,出現(xiàn)纖維剪切斷裂，背彈面有少量的纖維崩裂。反彈工況的靶板損傷模式以基體開裂和纖維拉伸斷裂為主，同時(shí)也有層間分層失效。隨著沖擊速率的增加，靶板迎彈面，凹坑變深，背彈面鼓包也變高，纖維崩裂數(shù)量增多，當(dāng)纖維拉伸變形超過其斷裂伸長(zhǎng)率時(shí)，背彈面形成沿纖維方向的撕裂斷口。擊穿工況下靶板的損傷模式有纖維拉伸斷裂，基體開裂和層間分層等。

圖3 部分沖擊試驗(yàn)照片

為了更直觀地看出加載情況對(duì)T700/TDE-86復(fù)合材料彈道沖擊試樣內(nèi)部造成的損傷情況，使用TABLETUT 型超聲C掃描系統(tǒng)(MISTRAS公司)對(duì)以上試驗(yàn)組別的靶板進(jìn)行損傷部位和損傷面積的檢測(cè)，如圖4所示；不同加載條件下靶板損傷面積如圖5所示。從圖中可以明顯看出在單軸空載時(shí),靶板被擊穿前分層損傷隨著速度的增加而增加，且靶板上出現(xiàn)凹坑，靶板被擊穿后，出現(xiàn)圓形穿孔，分層損傷面積幾乎不變；在沖擊速度接近的情況下，與空載相比，單軸拉伸35.0kN與單軸拉伸82.5kN的靶板分層損傷面積減小，且隨著預(yù)拉載荷的增大，靶板的圓形穿孔變小。這可能是由于施加拉力后靶板抗彎剛度增加，阻止了分層的擴(kuò)展。拉伸加載情況在靶板被擊穿后，分層損傷區(qū)域近似為 “菱形”型，且分層沿單孔附近呈“十字型”擴(kuò)展，說明該層沿0/90°擴(kuò)展。而與空載情況相比，拉伸與壓縮加載情況的靶板損傷面積普遍變小，且擊穿情況下，靶板的損傷面積會(huì)隨著加載拉力的增大而增大(圖4(c)與圖4(d))，會(huì)隨著加載壓力的增大而減小(圖4(e)與圖4(g))；在同種壓力工況下，反彈工況靶板的損傷面積小于擊穿工況(圖4(g)與圖4(h))，且擊穿后隨沖擊速度的增加靶板損傷面積也會(huì)增加(圖4(e)與圖4(f))；相同沖擊速度下，且同為反彈工況，壓縮工況的靶板損傷面積遠(yuǎn)小于空載工況(圖4(a)與圖4(h))，壓縮加載情況下靶板損區(qū)域近似為 “梅花”型，分層依舊沿彈孔附近呈“十字”型擴(kuò)展。

圖4 超聲C掃描圖片

圖5 不同加載條件下靶板損傷面積

2.3 能量吸收分析

本文通過對(duì)比在不同預(yù)載荷條件下靶板的能量吸收和彈道極限來評(píng)價(jià)該復(fù)合材料靶板的抗沖擊性能和吸能能力。彈體沖擊過程中的動(dòng)能的損失ΔEk即為靶板吸收的能量。

(1)

式中：Mp為彈體質(zhì)量；Vi為彈體入射速度；Vr為彈體剩余速度。

(2)

式中:S為靶板的等效面積；ΔEki為第i發(fā)彈體沖擊靶板后的動(dòng)能損失；n為試驗(yàn)次數(shù)。

圖6為不同加載工況下靶板單位面積平均吸能圖。同比空載工況，拉伸35.0kN及拉伸82.5kN的靶板單位面積平均吸能分別降低了6.15%和12.20%。這是由于拉伸應(yīng)力會(huì)使靶板的抗彎曲變形能力，即抗彎剛度增強(qiáng)，使靶板不能通過屈曲變形吸收更多的能量，使靶板吸能方式變得單一，所以拉伸預(yù)應(yīng)力會(huì)減小靶板吸收的能量，從而增大彈體的剩余速度，減小靶板彈道極限，降低靶板抗沖擊性能。而與拉伸加載情況不同，預(yù)壓19.0kN和預(yù)壓28.0kN工況同比空載工況靶板單位面積平均吸能分別增加了5.0%和9.8%。這是由于預(yù)壓載荷會(huì)使靶板更易變形，減小了靶板的抗彎剛度，使靶板可以通過屈曲變形吸收更多的沖擊能量，增加了靶板吸收的能量，從而減小彈體的剩余速度，增大靶板彈道極限，提高靶板抗沖擊性能。

圖6 不同加載條件下靶板單位面積平均吸能

3 結(jié)語

本文通過開展預(yù)拉與預(yù)壓載荷作用時(shí)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料(T700/TDE-86)的高速?zèng)_擊試驗(yàn)，探究不同大小預(yù)拉與預(yù)壓載荷對(duì)該材料能量吸收能力、抗沖擊性能及分層損傷區(qū)域的影響，結(jié)論如下所述。

1)相對(duì)于空載，預(yù)拉載荷會(huì)提高靶板的抗彎剛度，減少靶板吸收的能量，降低靶板的抗沖擊性能。預(yù)壓載荷會(huì)減小靶板的抗彎剛度，增加靶板吸收的能量，增加靶板的抗沖擊性能。

2)而與空載情況相比，拉伸與壓縮加載情況的靶板損傷面積普遍變小，且擊穿情況下，靶板的損傷面積會(huì)隨著加載拉力的增大而增大，且隨著加載壓力的增大而減小。

3)在同種壓力工況下，反彈工況靶板的損傷面積小于擊穿工況，且擊穿后靶板的損傷面積隨沖擊速度的增加而增加；相同沖擊速度下，且同為反彈工況，壓縮工況的靶板損傷面積遠(yuǎn)小于空載工況。